连续刚构桥的主要病害及其成因机理分析

2011-08-15谢飞

科学之友 2011年7期

谢飞

（山西省交通建设工程监理总公司，山西太原 030012）

1 概况

连续刚构桥梁体系是一种融合了T型刚构与连续梁两种桥梁体系优点、摒弃两者缺点的新的桥梁结构体系。其起于国外20世纪60年代，我国第一座预应力混凝土连续刚构桥（广东洛溪大桥）于1988年建成，到了20世纪90年代，我国相继修建了几座大跨径的连续刚构桥梁,属于较为新颖的桥梁体系。

2 连续刚构桥主要特点

连续刚构桥综合了T型刚构桥和连续梁桥的受力特点，为预应力混凝土梁式桥型的一种，其主要构造特点是主梁的连续梁与薄壁桥墩固结而成，它的梁部结构受弯性能也与连续梁的受弯性能基本相似，且薄壁墩底部也会承受弯矩。而且，随着墩高的逐渐增大，薄壁桥墩对上部梁体的嵌固作用越来越弱，随之梁体内的轴力也相应减小，另外，随着嵌固作用的减弱顺桥向抗推刚度将不断减小，能有效减小混凝土收缩徐变、温度等对桥梁的影响。除此之外，墩梁固结，可以大大节省大型支座昂贵的费用，桥墩及基础的工程量也会大大减少，另外，由于竖向构件分配水平力按刚度比分配，柔性墩的使用改善了水平荷载作用下桥梁的受力性能。此外，连续刚构桥还有以下优点：①随着轻质、高强混凝土、大吨位锚具的使用等使上部构造不断轻型化；②通过在导梁上合拢边跨或与引桥的悬臂相连接实现合拢来取消边跨合拢的落地支架；③取消了弯起束和连续束，简化了预应力束类型，主要采用竖向预应力和纵向预应力来克服主拉应力，方便了施工；④由于其受力体系的合理性和高强轻质材料的使用使跨径大大增大。

3 在役连续刚构桥主要病害特征及其产生成因

3.1 主要病害特征

尽管连续刚构桥有以上所述的优点，但随着预应力混凝土连续刚构桥的广泛应用，在桥梁的施工过程和使用过程中，普遍都出现了不同程度的病害。连续刚构桥的主要病害有跨中下挠和裂缝，例如，三门峡黄河公路大桥下挠22 cm并发现多处斜裂缝、黄石大桥下挠达到22.6 cm，大、铺大桥跨中下挠达到25.6 cm并在跨中发现横裂缝，通过统计可以发现裂缝主要出现在箱梁的支座附近（横向受力裂缝）、顶底板(纵向裂缝及横向裂缝)、边跨现浇段、跨中腹板（斜裂缝）等，这些缺陷的存在大大降低了连续刚构桥的使用性能，如不能及时维护可能造成主体结构的破坏甚至有可能导致严重事故的发生。

3.2 产生挠度的原因分析

连续刚构桥跨中下挠产生的主要原因可归纳为以下几点：

3.2.1 计算模型尚不完善

箱梁的温度分布特征对箱梁的温度应力有较大的影响，很多桥梁由于对温度应力的考虑不足导致桥梁的预应力损失严重，进而导致跨中下挠和箱梁开裂。以前在考虑温度应力时我国许多连续刚构桥梁按T型梁设计，取温度差5℃，但由于每个桥梁跨中梁高并不一样，采用相同温度差显然不合适。我国现行规范中采用三角形分布温差模型也与实测的统计模型相差较大，经过对某桥梁的温度监测发现桥梁的温度分布呈非线性分布，箱梁顶板温度最高，箱梁腹板下部温度最低。我国铁道部在20世纪七八十年代对多座桥梁进行监测统计发现桥梁的温度分布符合多次抛物线模式。而现行规范的温度分布模型过于简单，与实际的温差模型相差较多，且用三角型模型设计桥梁偏于不安全。另外，由于连续桥梁的挠度与桥梁的刚度有关，跨中刚度较小相对较柔而支座处相对较刚，导致温度升高时跨中挠度较大，并可根据挠曲线发现跨中板底受拉，经多次循环可能造成跨中的疲劳破坏。

3.2.2 对混凝土徐变的长期性和严重性认识不足

首先，混凝土徐变是一个非线性问题而且具有很大的随机性，导致混凝土徐变的变异性系数较大；其次，桥梁多用高强混凝土，而目前还没关于高强混凝土徐变收缩的理论，工程中多借用普通混凝土的徐变收缩理论，导致挠度计算的设计值与实际值相差较大。对混凝土徐变收缩的认识不足会直接导致混凝土预应力可靠性不足，而预应力损失又使桥梁的刚度降低，进而加剧了桥梁下挠病害。

3.2.3 施工质量存在的一些问题

施工单位往往希望可以缩短工期，在还没达到混凝土加载龄期时就进行预应力加载，过早加载往往造成：①由于混凝土弹性模量的增长滞后于混凝土强度的增长，在混凝土强度到达加载强度时混凝土的弹性模量却相对较小，以至于预应力施加的弯矩小于自重产生的弯矩，使桥梁在施工阶段就产生过大的挠度；②过早加载会增加混凝土的徐变，进而导致混凝土预应力的损失，再者施工时往往对预应力的摩擦损失考虑不足，进一步增加了预应力的损失，进而使桥梁的挠度加大。

3.2.4 超载对桥梁的影响

首先，近几年我国交通量剧增，汽车超载频率也随之增长，汽车超载时（尤其在超载堵车的情况）会使桥梁的实际荷载高于荷载的设计值，引起桥梁下挠。其次，汽车超载会引起桥梁的疲劳破坏，使桥梁的耐久性降低。

3.3 梁体裂缝现象原因分析

梁体上的裂缝主要有斜裂缝、纵向裂缝、垂直裂缝、横隔板裂缝以及齿板裂缝等。

3.3.1 主拉应力斜裂缝

主拉应力斜裂缝是梁体出现最多的裂缝，由于支座处剪力较大，使其主要出现在支座附近，并逐渐向受压区及跨中发展。另一特征是内腹板斜裂缝要比箱外的严重。经分析，其主要形成原因有：

（1）20世纪90年代以来，为了施工方便，普遍取消了弯起束的设计，这样可以减小腹板厚度，但预应力损失大，梁端部会出现大量斜裂缝。

（2）在目前的设计中通常只从纵向和竖向来考虑主拉应力，未曾考虑过箱梁内侧由于自重、活载和温度原因而产生的横向拉力，及扭转、翘曲等引起的剪切应力，使得主拉应力的设计值偏小，箱梁内侧裂缝开展较多。

（3）施工不当，致使预应力损失过大，有效预应力严重不足，有时竖向预应力筋已松动，没有张拉力。

（4）部分桥梁悬臂在施工中盲目抢工期，施工质量差，在混凝土初凝时间还小于节段所浇注的时间的情况下，既不对挂篮压重，又自内向外浇注混凝土，导致了挂篮下挠，节段界面上缘的开裂，通车后出现严重斜裂缝。

（5）腹板偏薄，普通钢筋配筋率偏小。

3.3.2 纵向裂缝

纵向裂缝与桥轴方向平行，大多出现在顶底板。出现的原因有：①未设横向预应力，在顶板下缘出现规范允许宽度的纵向裂缝。②纵向预应力施加过大，在桥梁克服恒载后仍具有很大的压应力储备，造成纵向裂缝的产生。③活载对桥梁产生的横向弯矩是纵向裂缝形成的原因之一，经常出现的超载现象使横向作用大于纵向作用，易产生纵向裂缝。④当箱梁腹板配筋不足，腹板内侧在梁自重下产生的横向拉应力及其他作用的组合，会在腹板产生纵向裂缝。⑤节段浇注混凝土时间间隔过长，桥由于收缩差而出现纵向裂缝。⑥在较薄的顶板中横向预应力束的布置位置往往难以控制偏差，若偏差过大，顶板下缘将产生纵向裂缝。⑦在桥现浇施工阶段，由于温度应力往往高于缓慢提升的混凝土抗拉强度，在底板较厚的梁根部拆模后会发现在地板下缘产生的纵向裂缝。混凝土板在硬化过程中产生水化热，中心温度高于边缘温度，而板底与空气接触，温度最低。在平面变形的作用下产生自平衡应力，中心受压边缘受拉，当拉应力大过抗拉强度，混凝土便会开裂，尤其在板底，但仅限于表面，危害较小。

3.3.3 垂直裂缝、横隔板及齿板裂缝

（1）垂直裂缝在大跨径梁桥设计中的全预应力和部分预应力A类构件均不应出现，一旦出现，就表明正截面强度不足。

（2）横隔板、齿板裂缝与施工质量有关，同时也是由于设计中截面尺寸不合理或预应力设计吨位过大，锚下混凝土应力过于集中造成的。